电磁场简介

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电磁场简介

地球的天然电磁场是大地电磁测深法的研究对象，它包含有各种不同的频谱成分，并以不同的形态出现。

1、  天然电磁场的一般特性：天然电磁场的结构很复杂，它随时间和空间位置都是变化的。对任一点地磁场的观测值进行统计分析和频谱分析，可以将它分为随时间相对稳定和相对变化的两部分。从量值上看，相对稳定部分是地磁场的主体，称为基本地磁场。基本地磁场空间分布规律和位于地球中心的磁偶极子场相当，它来源于地球内部。地磁场随时间变化部分包含有一系列的频谱成分，一般认为它来源于地球外部，和太阳的活动密切相关。大地电磁测深法以随时间变化的天然电磁场为场源。

（1）、基本地磁场的空间分布

基本地磁场是相对稳定的，各种不同周期变化的地磁场和它相比都显得很微弱。基本地磁场的空间分布和位于球心的磁偶极子场十分相似，其特点是两极的地磁场方向近于直立（磁倾角约为90度），垂直分量最大，水平分量最小。赤道附近相反，地磁场方向在赤道附近近于水平，水平分量最大，垂直分量最小。Z，H，I分别表示地磁场的垂直分量，水平分量和磁倾角，统称地磁要素。地磁要素的等值线和地理纬线近于平行，但地磁南北极和地理南北极并不重合，表明地磁偶极子轴和地球自转轴之间存在一夹角。

      高斯对实测的地磁场空间分布进行了球谐分析，证明它一级近似地满足位于球心的磁偶极子场的关系式：

      

         

式中 称为地磁纬度, r是测点到磁偶极子中心的距离，M是磁偶极子的磁矩。

  （2）、地磁场的时间变化

     地磁场随时间变化部分比较复杂，它包含一系列频谱成分，并可分为平静变化和干扰变化两大类。

     平静变化的特点是经常出现，有一定的规律，并和行星之间的相对运行的周期有明显的对应关系。包括有太阳日变化，太阴日变化，朔望月变化，年变化，以及周期为11年和22年的变化等。

     干扰变化与平静变化相比，它的出现带有一定的偶然性。按照干扰变化的形态特征，可分为地磁脉动，磁湾，磁暴等，它们都和太阳的辐射有关，是大地电磁测深的重要信号源。

2、  天然交变电磁场的源

地球天然交变电磁场和 太阳的活动密切相关，是太阳的电磁辐射和粒子流在地球周围空间所引起的电磁效应形成的。


   太阳连续不断地射出等离子流，等离子流主要由高能质子所组成，它的运动速度为300---800公里/秒，称为太阳风。太阳风本生就是导电体，在运动过程中有磁场伴随。当太阳风与地球外层磁场相遇时，地磁场对太阳风产生阻力，使等离子流转向，二者相互作用的结果，使得地磁场的磁力线在向阳一侧都向后弯曲。最前面的磁力线形成一个包体，包体之外没有磁力线，所以地磁场的效应只局限在一个空洞之内，这个空洞叫做磁层，磁层的边界叫磁层顶。朝着太阳一面磁层顶离地心约有8-11个地球半径，并随等离子流的密度而变化。背着太阳的一面磁层顶延伸的很远，形成一个磁尾，宽度约为15-20个地球半径。地球的磁场只有在地球附近才近似一个偶极子场，大约在离地心5个地球半径的高度，地磁偶极子场已被严重歪曲。

太阳的另一种辐射是电磁辐射，它包含紫外线、可见光、红外线等。在离地面约50公里以上的高空中，中性分子受电磁辐射作用分解为带电的离子，形成电离层。电离层以下是中性分子组成的大气层，电离层以上是等离子层和磁层。由于太阳辐射强度的变化，以及地球自转等原因，等离子层和电离层中离子分布是不均匀的，从在有一定的压力差，形成导电离子的风系，并在磁场的作用下形成磁流体动力波。磁流体动力波是导电离子运动的传播，它必须同时遵从电动力学方程和流体动力学方程，或者说遵从二者联立而得出的磁流体波方程。

显然，磁流体波伴随有交变的电磁场，当它到达中性大气层的顶面时，由于中性大气层中不存在导电的粒子，这时，伴随的交变电磁场将以电磁波的形式继续传播，这些电磁波到达地面，就形成一系列干扰变化。对于地面任一点，位于向阳面时（即白天），受太阳辐射作用的影响较大，地磁场的变化也较大，当该点背向太阳时（即夜间），地磁场的变化就相对平静。地球自转一周，就形成了地磁场的日变化。地球围绕太阳转动，就造成了地磁场的年变化。

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